DE2134662A1

DE2134662A1 - Strengthening metal parts - partic increasing the strength of valves in ic engines

Info

Publication number: DE2134662A1
Application number: DE19712134662
Authority: DE
Inventors: Rolf Milbach; Herbert Schoenlau
Original assignee: Teves Thompson and Co GmbH
Current assignee: Teves Thompson and Co GmbH
Priority date: 1971-07-12
Filing date: 1971-07-12
Publication date: 1973-01-25

Abstract

Structural components which are subjected to thermal stresses, e.g. valves for I.C. engines, are strengthened by melting the surface layer of the structural member down to a limited depth by electron beam irradiation. The method increases the strength of the part without reducing ductility.

Description

n Verfahren zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von Bauteilen n Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von wärmebeanspruchten Bauteilen, insbesondere von Ventilen für Verbrenniingskraftmaschinen. n Process for improving the strength properties of components The invention relates to a method for improving the strength properties of components subject to thermal stress, in particular of valves for internal combustion engines.

Die Festigkeitseigenschaften eines metallischen Werkstoffes werden bekanntlich im wesentlichen durch seinen Gefügeaufbau bestimmt. Von Bedeutung sind nicht nur die kristallographischen Orientierung der einzelnen Körner und deren Größe, sondern auch intermetallische Vorgänge, wie z. B.The strength properties of a metallic material are as is known, essentially determined by its structure. Are of importance not only the crystallographic orientation of the individual grains and their size, but also intermetallic processes, such as B.

die Mischkristallbildung, Ausscheidungen und Versetzungen.mixed crystal formation, precipitations and dislocations.

Um bei einem bestimmten Werkstoff eihen definierten Gefügeaufbau zu erreichen, ist im allgemeinen eine entsprechende Wärmebehandlung erforderlich. Diese umfaßt, sofern es sich nicht um eine Oberflächen-Behandlung, wie Einsatzhärtung, Oberflächenhärtung, Nitrierung usw. handelt, das gesamte Werkstück, d.h. die bei der Wärmebehandlung erzielten Veränderungen des Gefügeaufbaues beziehen sich auf den gesamten Querschnitt. Dies. kann insofern Nachteile zur Folge haben, als bei gewissen Bauteilen in der Randzone andere Eigenschaften erwartet werden als im Kern. Bei Bauteilen, die auf Verschleiß beansprucht sind, trägt man diesem Umstand. durch eine Oberflächen-Behandlung Rechnung. Andere Bauteile, wie z. B. Ventilkegel für Verbrennungskraftmaschinen, werden während des Betriebseinsatzes mehr oder weniger stark erwärmt. Dies kann in Verbindung mit Gefugeveränderungen eine Minderung der Festigkeiten zur Folge haben. Die Erwärmung kann so stark sein, daß die Wirkung von Oberflächen-Behandlungen wieder verloren geht.In order to have a defined microstructure for a certain material achieve, an appropriate heat treatment is generally required. These includes, unless it is a surface treatment, such as case hardening, Surface hardening, nitriding, etc., the entire workpiece, i.e. refer to the changes in the structure of the structure achieved during the heat treatment on the entire cross-section. This. can result in disadvantages, than with certain components in the edge zone, different properties are expected than at the core. In the case of components that are subject to wear and tear, this is worn Fact. through a surface treatment bill. Other components, such as B. Valve cones for internal combustion engines are used during operation more or less heated. This can be in connection with structural changes result in a reduction in strength. The warming can be so strong that the effect of surface treatments is lost again.

Auslaßventile von Verbrennungskraftmaschinen werden in großem Umfang aus austenitischen Ohrom-Mangan-Nickel-Legierungen auf Eisen-Basis hergestellt. Es ist bekannt, die ZugEstigkeiten dieser Werkstoffe durch Ausscheidungshärtung zu verbessern, wobei jedoch die Duktilität reduziert wird.Exhaust valves of internal combustion engines are used on a large scale made from austenitic Ohrom manganese nickel alloys based on iron. It is known that the tensile strengths of these materials are caused by precipitation hardening to improve, but the ductility is reduced.

Werkstoffe, die auch bei höheren Festigkeiten eine gute Duktilität aufweisen, sind Legierungen auf einer Nickel Basis. Sie übersteigen wegen der wertvollen Legierungslsomponenten jedoch den Preis der Werkstoffe auf austenitischer Eisen-Basis um ein Vielfaches. Deshalb scheiden sie aus wirtschaftlichen Erfinden oft für eine serienmäßige Verwendung aus. Austenitische Eisen-l3asis-Legierungen erfahren während des Betriebseinsatzes, z. B. beim Motorlauf von Auslaßventilen eine weitere Reduzierang der Duktilität in Verbindung mit einer zunehmenden Ausscheidung von Karbiden. Auch nehmen die Streckgrenze und Zugfestigkeit bei höheren Temperaturen deutlich ab, wie z.B. in "Ate-TRW Techn. Tagung 196P3", Seiten 9 bis 18 beschrieben.Materials that have good ductility even at higher strengths are alloys based on nickel. You exceed because of the valuable Alloy components However, the price of the materials on austenitic Iron base many times over. That is why they leave economic inventions often for series use. Austenitic iron-base alloys experienced during operation, e.g. B. when the engine is running exhaust valves a further reduction in ductility combined with an increase in excretion of carbides. Also, the yield point and tensile strength decrease at higher temperatures clearly, as described e.g. in "Ate-TRW Techn. Tagung 196P3", pages 9 to 18.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren zu schaffen, wodurch die Festigkeit von Mauteilell okuie Verringerung der Duktilität verbessert wird.The invention is therefore based on the object of a manufacturing method to create, increasing the strength of Mauteilell okuie reducing ductility is improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberflächenschicht des bruchgefährdeten Bereichs der Bauteile durch Elektronenbestrahlung bis zu einer begrenzten Tiefe umgeschmolzen wird. Auf die Oberfläche des Bauteils werden zweckmäßigerweise vor der Elektronenbestrahlung durch eine geeignete Vorbehandlung, z. B. Metallabscheidung, Diffusionsbehandlung oder Metallspritzen Stoffe gebracht, so daß durch die Umschmelzung während der Elektronenbestrahlung an der Bauteiloberfläche eine entsprechende Legierung entsteht. Die Energiezufuhr wird im übergangsbereich vom gefährdeten zum ungefährdeten Teil kontinuierlich reduziert, so daß die Umschmelzzone allmählich ausläuft.This object is achieved according to the invention in that the surface layer of the breakage-prone area of the components due to electron irradiation up to one limited depth is remelted. Appropriately, on the surface of the component before electron irradiation by a suitable pretreatment, e.g. B. Metal deposition, Diffusion treatment or metal spraying brought substances so that by remelting a corresponding alloy is applied to the component surface during electron irradiation arises. The energy supply is in the transition area from the endangered continuously reduced to the safe part, so that the remelting zone gradually expires.

Bei der Umschmelzveredeiuflg wird das Bauteil um seine Längsachse gedreht. Der Vorschub der Elektronenstrahlkanone ist derart, daß eine Uberlappung der Umschmelzzone entsteht, die bei 50 % der Schmelzbreite optimale Werkstoffeigenschaften ergibt. Die umgeschmolzene Schichtstärke beträgt maximal 1 mm.In the remelting process, the component is rotated around its longitudinal axis turned. The advance of the electron beam gun is such that an overlap the remelting zone is created, which has optimal material properties at 50% of the melt width results. The remelted layer thickness is a maximum of 1 mm.

Der Gefügeaufbau des umgeschmolzenen Bereiches unterscheidet sich durch die dendritische Gußstruktur wesentlich von dem unbeeinflußten Grundgefüge. Härteunterschiede zwischen Grundgefüge und Umschmelzzone wurden nicht nachgewiesen. Aus diesem Grunde entsteht auch kein Spannungsgefälle, was sich wiederum nachteilig auf die Standzeit des betreffenden Bauteiles auswirken würde.The structure of the remelted area differs due to the dendritic cast structure, it differs significantly from the unaffected basic structure. Differences in hardness between the basic structure and the remelting zone were not detected. For this reason, there is also no voltage gradient, which in turn is disadvantageous would affect the service life of the component in question.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Gezeigt ist in der einzigen Figur der bruchgefährdete Bereich eines Ventils für Verbrennungskraftmaschinen.An exemplary embodiment according to the invention is shown schematically in the drawing shown. The single figure shows the area at risk of breakage Valve for internal combustion engines.

Auf dem Grundwerkstoff 1 baut sich die Umschmelzzone 2 auf, die nach den Enden zu bei 4 allmählich an Stärke abnimmt. Je nach Drehung und Vorschub des Ventilschaftes entstehen tberlappungen 3 in einem bestimmten Verhäfitns zur Schmelzbreite. Werden andere Überlappungen verwendet, so entsteht entweder eine nicht genug aufgeschmolzene Zwischenzone, die erhebliche Kerbwirkungen einbringt, oder durch das mehrfache Anschmelzen werden die Werkstoffqualitäten gemindert.The remelting zone 2 builds up on the base material 1, which after gradually decreasing in strength towards the ends at 4. Depending on the rotation and feed of the The valve stem creates overlaps 3 in a certain interlocking to the Melt width. If other overlaps are used, either a not enough melted intermediate zone, which brings significant notch effects, or by melting the material several times, the quality of the material is reduced.

Es kann angenommen werden, daß das feindendritische Umschmelzgefüge, welches normalerweise bei einem austenitischen Ventilstahl absolut unerwünscht ist, bei der hochfrequenten Wechselbelastung des Ventils im Temperaturbereich von 800 - 9000 C auf den sonst unveränderten Kern des Bauteils positive Auswirkungen hat, wenn es in der richtigen Proportionierung aus dem flüssigen Zustand entsteht. Die nicht vorhersehbare Tatsache der Verbesserung wird dadurch bestätigt, daß die konventionellen Festigkeitswerte von metallischen Werkstoffen, wie Zugfestigkeit usw. diese Verbesserung nicht erkennen lassen.It can be assumed that the hostile dritic remelting structure, which is normally absolutely undesirable with an austenitic valve steel, with the high-frequency alternating load of the valve in the temperature range of 800 - 9000 C has positive effects on the otherwise unchanged core of the component, when it arises from the liquid state in the right proportions. the unpredictable fact of improvement is confirmed by the fact that the conventional Strength values of metallic materials, such as tensile strength, etc. this improvement not reveal.

An Auslaßventilkegeln, die in dem in Fig. 1 skizzierten Bereich einer Elektronenstrahl-Umschmelzveredelung unterzogen wurden, konnten Standzeit-Verbesserungen von 50 % erzielt werden.At outlet valve cones, which in the sketched in Fig. 1 area a Electron beam remelt refinement has resulted in tool life improvements of 50% can be achieved.

Claims

PATENT CLAIMS

1. Process for improving the strength properties of heat-stressed Components, in particular valves for internal combustion engines, characterized in that that the surface layer - the breakage endangered area of the components by electron irradiation is remelted to a limited depth.

2. The method according to claim 1, characterized in that on the Surface of the component prior to electron irradiation through a suitable pretreatment, z. B.

Metal deposition, diffusion treatment or metal spraying substances, such as chromium, nickel, tungsten, molybdenum, aluminum, etc., are applied so that A corresponding alloy layer is created through the remelting on the component surface arises.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that that the energy supply in the transition area from the endangered to the non-endangered component is continuously reduced.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that that the component is rotated about its longitudinal axis during the remelting process and undergoes an advance in such a way that an overlap of the Umschrnelzzone arises.

5. Valve produced by the process according to claims 1 to 4, characterized in that the thickness of the remelted layer is a maximum of 1 mm.

6. Valve according to claim 5, characterized in that the overlap the remelting zone 50 <0 of the melt width.

L e r s e i t e